一种甲醇水重整制氢发电机的制作方法

本实用新型涉及制氢及发电设备技术领域，特别涉及一种甲醇水重整制氢发电机。

背景技术：

氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO₂和SO₂，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢的分布很广泛，水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。

目前，利用甲醇水蒸气重整技术制取H₂与CO₂的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到H₂和CO₂。参照中国发明申请201310340475.0（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），该专利公开了一种甲醇水制氢系统，甲醇与水蒸气重整器的重整室内，在350-409℃温度下1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：(1)CH₃OH→CO+2H₂；(2)H₂O+CO→CO₂+H₂；(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，重整反应生成的H₂和CO₂，再经过分离室的钯膜分离器将H₂和CO₂分离，得到高纯氢气。

随着技术的发展，氢气在产业中的应用越来越广泛，例如合成氨工业和石油精制加氢工业等等，除此之外，氢气还可用于发电，参照中国发明申请201510476342.5（申请人为本创作者：广东合即得能源科技有限公司），该实用新型公开了一种甲醇水重整制氢发电机，该发电机采用燃料电池作为发电设备，该燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能，在燃料电池的阳极：2H₂→4H⁺+4e^-，H₂分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板，在燃料电池的阴极：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O，质子、电子和O₂重新结合以形成H₂O。该发电机将甲醇水重整制氢与燃料电池整合成一体，实现了制氢与发电合为一体的技术目的。然而，该甲醇水重整制氢发电机的各部分部件模块化程度低，组装非常耗时耗力，检修拆卸很不方便。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种各部分部件模块化程度高、组装容易、检修拆卸方便的甲醇水重整制氢发电机。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种甲醇水重整制氢发电机，包括机壳、机架、电控系统、甲醇水进液系统、甲醇水重整制氢系统及发电系统；所述机壳套装于机架之外侧，所述机架包括底座及设置于底座之上的第一安装腔、第二安装腔、侧板；所述甲醇水进液系统安装于底座内；所述甲醇水重整制氢系统包括重整器及启动装置，所述重整器安装于第一安装腔内，重整器用于甲醇水重整制得氢气，所述启动装置安装于重整器下端，启动装置用于甲醇水重整制氢发电机启动过程中，通过燃烧甲醇水原料为重整器的启动过程提供热量；所述发电系统包括燃料电池，燃料电池安装于第二安装腔内，燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能；所述电控系统包括控制主板及DC-DC转换器，该控制主板及DC-DC转换器安装于侧板上。

作为对本实用新型的进一步阐述：

所述控制主板控制甲醇水进液系统、甲醇水重整制氢系统、发电系统及DC-DC转换器工作；电控系统还包括可充电电池，在甲醇水重整制氢发电机启动前/启动中，该可充电电池为甲醇水重整制氢发电机自身供电, 甲醇水重整制氢发电机启动之后，发电机自身为可充电电池充电；控制主板还安装有通电开关、启动开关、直流输出接口及直流接触器，通电开关用于启动前的电控系统供电，启动开关用于一键启动甲醇水重整制氢发电机，直流输出接口用于向外输出直流电，直流接触器用于自动接通或断开直流输出电路。

所述甲醇水进液系统包括进液总管、输送泵、启动进液电磁阀、启动进液分管、制氢进液电磁阀、制氢进液分管及压力传感器；在甲醇水重整制氢发电机启动过程中，启动进液电磁阀打开，制氢进液电磁阀关闭，甲醇水原料依次经进液总管、输送泵、压力传感器、启动进液电磁阀及启动进液分管后，供应给甲醇水重整制氢系统的启动装置；在甲醇水重整制氢发电机制氢过程中，制氢进液电磁阀打开，启动进液电磁阀关闭，甲醇水原料依次经进液总管、输送泵、压力传感器、制氢进液电磁阀及制氢进液分管后，供应给甲醇水重整制氢系统的重整器。

所述甲醇水重整制氢系统的重整器包括重整室、分离室、燃烧室及汽化盘管；所述重整室用于甲醇和水发生重整制氢反应制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体；所述分离室位于重整器中部，分离室包括烧结过滤器及氢分离膜管，所述混合气体通过烧结过滤器滤除固态杂质后进入氢分离膜管，氢分离膜管将混合气体分离成氢气和余气，该氢气供应给燃料电池，该余气中含有二氧化碳、未完全反应的一氧化碳及部分氢气，该余气经所述启动进液分管后输向燃烧室；所述燃烧室用于余气在燃烧室中燃烧，为重整器的运行提供热量；所述汽化盘管用于将甲醇水汽化。

所述甲醇水重整制氢发电机还包括换热系统，该换热系统包括同轴心的双层换热管、常温液体入口、高温液体出口、高温气体入口及低温气体出口；所述双层换热管的内层管道为气体管道，外层管道为液体管道；在双层换热管的一端，气体管道与高温气体入口相连通，液体管道与高温液体出口相连通；在双层换热管的另一端，气体管道与低温气体出口相连通，液体管道与常温液体入口相连通；在甲醇水重整制氢发电机制氢过程中，所述制氢进液分管中的甲醇水原料从常温液体入口进入液体管道，所述重整器制得的氢气从高温气体入口进入气体管道，液体管道中的甲醇水原料与气体管道中的氢气进行换热，甲醇水原料温度升高，从高温液体出口输出至重整器，氢气温度降低，从低温气体出口输出至燃料电池。

所述甲醇水重整制氢发电机还包括控气系统，所述控气系统设置于向燃料电池输送氢气的输送管道上；所述控气系统包括安全控气管、安全进气控制器、安全电磁阀、常用电磁阀及常用气压传感器；所述安全进气控制器及安全电磁阀安装于安全控气管上，氢气在通过安全控气管的过程中，若安全进气控制器感应到氢气气压高于警戒气压，则控制安全电磁阀打开泄气孔，向外排出氢气；该安全电磁阀由可充电电池供电；所述常用电磁阀用于在正常状态下打开/关闭输送管道，所述常用气压传感器用于在正常状态下向电控系统反馈输送管道内的氢气气压。

所述甲醇水重整制氢系统的启动装置包括进液/进气总管、火焰盘、空心双层盖体及点火器；所述进液/进气总管与启动进液分管相连通；所述火焰盘及空心双层盖体从下至上设置于进液/进气总管上；所述空心双层盖体的下侧开有与进液/进气总管相连通的进液/进气小孔，空心双层盖体的周围排列有一圈出液/出气小孔；在甲醇水重整制氢发电机启动过程中，甲醇水原料经启动进液分管、进液/进气总管、进液/进气小孔后进入空心双层盖体之内，再从空心双层盖体四周的出液/出气小孔中流出，直至流入火焰盘；在甲醇水重整制氢发电机制氢过程中，甲醇水重整制氢系统产生的余气经余气输送管道、进液/进气总管、进液/进气小孔后进入空心双层盖体之内，再从空心双层盖体四周的出液/出气小孔中流出；所述点火器设置于空心双层盖体的周围任一位置，且点火位置与出液/出气小孔相对应。

所述空心双层盖体还设有若干上下贯通的通气孔，该通气孔用于外界空气从下至上穿过空心双层盖体。

所述甲醇水重整制氢系统的启动装置还包括圆座及进风机构，所述圆座围于火焰盘及空心双层盖体的外部，所述进风机构设置于圆座的侧端，进风机构包括进风风道及安装于进风风道外端的风扇；外界空气在送风风扇的驱动下，经进风风道进入圆座之中。

所述进风风道为筒状风道；所述火焰盘设有螺旋形的通风孔槽，外界空气能从下至上依次通过通风孔槽、空心双层盖体的外周/通气孔、重整器的燃烧室。

本实用新型的有益效果是：本实用新型设置有安装各部分部件的机架，机壳套装于机架之外侧，机架包括底座及设置于底座之上的第一安装腔、第二安装腔、侧板，甲醇水进液系统安装于底座内，重整器安装于第一安装腔内，启动装置安装于重整器下端，燃料电池安装于第二安装腔内，控制主板及DC-DC转换器安装于侧板上；因此，本实用新型能够使甲醇水进液系统、重整器、燃料电池、控制主板、DC-DC转换器等部件实现模块化组装，且检修拆卸非常方便。并且，本实用新型的优选方式中，还具有以下有益效果：其一、电控系统控制稳定，按下通电开关即可实现启动前的电控系统供电，在启动过程中，可充电电池可为甲醇水重整制氢发电机自身供电；通电之后，按下启动开关，即可一键启动甲醇水重整制氢发电机；其二、甲醇水进液系统能够分别对重整器及启动装置输送甲醇水原料；其三、采用同轴心的双层换热管，能使氢气在进入燃料电池之前能降温至较低的温度，不会对燃料电池造成损害，与此同时，进入重整器的甲醇水原料在换热器中得到加热，从而降低重整器内的燃烧加热强度，大幅提高了甲醇水原料的利用效率；其四、在制氢过程中，从重整器的分离室排出的高温余气（含二氧化碳、一氧化碳、氢气），能从启动装置的启动进液分管输向燃烧室燃烧，从而使高温余气得到充分利用，避免了能源浪费；其五、本实用新型设置控气系统，能实时控制氢气的输送，并能在氢气气压超过警戒气压时，泄出氢气；其六、本实用新型的启动装置设有空心双层盖体，能使甲醇水原料从空心双层盖体的周围分散流出，充分燃烧，与此同时，本实用新型的启动装置还整合了余气燃烧功能，在本实用新型处于启动之后的制氢发电过程中，启动装置停止燃烧甲醇水原料，而改由燃烧余气，余气经进液/进气总管、进液/进气小孔后进入空心双层盖体之内，再从空心双层盖体四周的出液/出气小孔中流出，从而实现余气的充分燃烧。

附图说明

图1为甲醇水重整制氢发电机的立体结构示意图。

图2为甲醇水重整制氢发电机的另一角度立体结构示意图。

图3为甲醇水重整制氢发电机的分散结构示意图。

图4为甲醇水重整制氢发电机的另一角度分散结构示意图。

图5为甲醇水重整制氢发电机的机架立体结构示意图。

图6为本实用新型的甲醇水重整制氢系统的立体结构示意图。

图7为本实用新型的甲醇水重整制氢系统、甲醇水进液系统、换热系统及控气系统的立体结构示意图。

图8为本实用新型的甲醇水重整制氢系统、甲醇水进液系统、换热系统及控气系统的另一角度立体结构示意图。

图9为本实用新型的启动装置的纵剖视图。

图10为本实用新型的甲醇水重整制氢系统的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

如图1～图8所示，本实用新型为一种甲醇水重整制氢发电机，包括机壳1、机架2、电控系统3、甲醇水进液系统4、甲醇水重整制氢系统5及发电系统6；所述机壳1套装于机架2之外侧，所述机架2包括底座21及设置于底座21之上的第一安装腔22、第二安装腔23、侧板24；所述甲醇水进液系统4安装于底座21内；所述甲醇水重整制氢系统5包括重整器51及启动装置52，所述重整器51安装于第一安装腔22内，重整器51用于甲醇水重整制得氢气，所述启动装置52安装于重整器51下端，启动装置52用于甲醇水重整制氢发电机启动过程中，通过燃烧甲醇水原料为重整器51的启动过程提供热量；所述发电系统6包括燃料电池61，燃料电池61安装于第二安装腔23内，燃料电池61用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能；所述电控系统3包括控制主板31及DC-DC转换器32，该控制主板31及DC-DC转换器32安装于侧板24上。由于本实用新型设置有安装各部分部件的机架，因此本实用新型能够使甲醇水进液系统、重整器、燃料电池、控制主板、DC-DC转换器等部件实现模块化组装，且检修拆卸非常方便。

如图2和图4所示，所述控制主板31控制甲醇水进液系统4、甲醇水重整制氢系统5、发电系统6及DC-DC转换器32工作；电控系统3还包括可充电电池（图中未示出），在甲醇水重整制氢发电机启动前/启动中，该可充电电池为甲醇水重整制氢发电机自身供电, 甲醇水重整制氢发电机启动之后，发电机自身为可充电电池充电；控制主板31还安装有通电开关311、启动开关312、直流输出接口313及直流接触器314，通电开关311用于启动前的电控系统3供电，启动开关312用于一键启动甲醇水重整制氢发电机，直流输出接口313用于向外输出直流电，直流接触器314用于自动接通或断开直流输出电路。在本实用新型技术方案中，DC-DC转换器向直流输出接口输出的为48V直流电，DC-DC转换器向设备自身供应的为24V直流电。

如图7和图8所示，所述甲醇水进液系统4包括进液总管41、输送泵42、启动进液电磁阀43、启动进液分管44、制氢进液电磁阀45、制氢进液分管46及压力传感器47；在甲醇水重整制氢发电机启动过程中，启动进液电磁阀43打开，制氢进液电磁阀45关闭，甲醇水原料依次经进液总管41、输送泵42、压力传感器47、启动进液电磁阀43及启动进液分管44后，供应给甲醇水重整制氢系统的启动装置52；在甲醇水重整制氢发电机制氢过程中，制氢进液电磁阀45打开，启动进液电磁阀43关闭，甲醇水原料依次经进液总管41、输送泵42、压力传感器47、制氢进液电磁阀45及制氢进液分管46后，供应给甲醇水重整制氢系统的重整器51。这样，一套甲醇水进液系统就能够分别对重整器及启动装置输送甲醇水原料。

如图6、图7、图8和图10所示，所述甲醇水重整制氢系统的重整器51包括重整室511、分离室512、燃烧室513及汽化盘管514；所述重整室511用于甲醇和水发生重整制氢反应制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，所述重整室511内设有催化剂，甲醇和水蒸气在重整室511内，1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为：(1)CH₃OH→CO+2H₂、(2)H₂O+CO→CO₂+H₂、(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；所述分离室512位于重整器51中部，分离室512包括烧结过滤器5121及氢分离膜管5122，所述混合气体经富氢管道5111后进入烧结过滤器5121，通过烧结过滤器5121滤除固态杂质后进入氢分离膜管5122，氢分离膜管5122将混合气体分离成氢气和余气，该氢气经氢气输送管道5124后供应给燃料电池61，该余气中含有二氧化碳、未完全反应的一氧化碳及部分氢气，该余气依次经余气输送管道5123、启动装置52后输向燃烧室513，需要注意的是，余气进入燃烧室通道是启动装置；所述燃烧室513用于余气在燃烧室中燃烧，为重整器51的运行提供热量；所述汽化盘管514用于将甲醇水汽化。通过燃烧余气，既能为重整室提供重整制氢反应所需要的热量，又能使高温余气得到充分利用，避免了能源浪费。

如图7和图8所示，甲醇水重整制氢发电机还包括换热系统7，该换热系统7包括同轴心的双层换热管71、常温液体入口72、高温液体出口73、高温气体入口74及低温气体出口75；所述双层换热管71的内层管道为气体管道，外层管道为液体管道；在双层换热管71的一端，气体管道与高温气体入口相连通，液体管道与高温液体出口相连通；在双层换热管71的另一端，气体管道与低温气体出口相连通，液体管道与常温液体入口相连通；在甲醇水重整制氢发电机制氢过程中，所述制氢进液分管46中的甲醇水原料从常温液体入口72进入液体管道，所述重整器51制得的氢气从高温气体入口74进入气体管道，液体管道中的甲醇水原料与气体管道中的氢气进行换热，甲醇水原料温度升高，从高温液体出口73输出至重整器51，氢气温度降低，从低温气体出口75输出至燃料电池61。采用同轴心的双层换热管，能使氢气在进入燃料电池之前能降温至较低的温度，不会对燃料电池造成损害，与此同时，进入重整器的甲醇水原料在换热器中得到加热，从而降低重整器内的燃烧加热强度，大幅提高了甲醇水原料的利用效率。

如图2、图3、图7和图8所示，甲醇水重整制氢发电机还包括控气系统8，所述控气系统8设置于向燃料电池61输送氢气的输送管道上；所述控气系统8包括安全控气管81、安全进气控制器82、安全电磁阀83、常用电磁阀84及常用气压传感器85；所述安全进气控制器82及安全电磁阀83安装于安全控气管81上，氢气在通过安全控气管81的过程中，若安全进气控制器82感应到氢气气压高于警戒气压，则控制安全电磁阀83打开泄气孔，向外排出氢气；该安全电磁阀83由可充电电池供电；所述常用电磁阀84用于在正常状态下打开/关闭输送管道，所述常用气压传感器85用于在正常状态下向电控系统3反馈输送管道内的氢气气压。

如图6～图9所示，所述甲醇水重整制氢系统的启动装置52的位置与重整器的重整室位置相对应，位于重整室内部下方，启动装置52包括进液/进气总管521、火焰盘522、空心双层盖体523及点火器524；所述进液/进气总管521与启动进液分管44相连通；所述火焰盘522及空心双层盖体523从下至上设置于进液/进气总管521上；所述空心双层盖体523的下侧开有与进液/进气总管521相连通的进液/进气小孔5231，空心双层盖体523的周围排列有一圈出液/出气小孔5232；在甲醇水重整制氢发电机启动过程中，甲醇水原料经启动进液分管44、进液/进气总管521、进液/进气小孔5231后进入空心双层盖体523之内，再从空心双层盖体523四周的出液/出气小孔5232中流出，直至流入火焰盘522，点火之后，甲醇水原料能够在空心双层盖体523周围迅速散开燃烧，而未完全燃烧的甲醇水原料则掉入火焰盘522中进一步迅速燃烧，这样在火焰盘上方及空心双层盖体523周围，甲醇水原料充分燃烧，释放重整器所需要的启动热量，启动速度非常快，通常在1分钟之内即可启动；在甲醇水重整制氢发电机制氢过程中，甲醇水重整制氢系统产生的余气经余气输送管道5123、进液/进气总管521、进液/进气小孔5231后进入空心双层盖体523之内，再从空心双层盖体523四周的出液/出气小孔5232中流出，在空心双层盖体523的周围，余气燃烧，释放重整器所需要的运行热量；所述点火器524设置于空心双层盖体523的周围任一位置，且点火位置与出液/出气小孔5232相对应。

在201510476342.5号专利中，甲醇水原料从进液立管往上流向小孔，再从小孔中冒出时，往往不会向四周散开，而是从上盖体的某一位置直接流下来，不但达不到分散甲醇水原料的效果，而且点火器很难点火成功，因为点火器的点火位置是唯一的，也是固定不变的，若多次点火仍然不成功，则甲醇水原料会从启动系统内部渗透出来，产生甲醇异味和安全风险，因此，本实用新型采用具有一圈出液/出气小孔的空心双层盖体能很好的解决此问题。

如图6～图9所示，所述空心双层盖体523还设有若干上下贯通的通气孔5233，该通气孔5233用于外界空气从下至上穿过空心双层盖体523。这样，外界空气更容易通过空心双层盖体523，噪音更低，烧烧更充分。

如图6～图9所示，所述甲醇水重整制氢系统的启动装置52还包括圆座525及进风机构526，所述圆座525围于火焰盘522及空心双层盖体523的外部，所述进风机构526设置于圆座525的侧端，进风机构526包括进风风道5261及安装于进风风道5261外端的风扇5262；外界空气在送风风扇5262的驱动下，经进风风道5261进入圆座525之中。设置圆座后，圆座将启动装置包围，能显著降低燃烧噪音，燃烧更充分，燃烧无异味产生；设置进风机构526后，能既能实现空气导流，又能防止和消除回火风险。

如图6～图9所示，所述进风风道5261为筒状风道；所述火焰盘522设有螺旋形的通风孔槽5221，外界空气能通过通风孔槽5221向上进入火焰盘522之上、空心双层盖体523的外周以及重整器的燃烧室513内。外界空气能从下至上依次通过通风孔槽、空心双层盖体的外周/通气孔、重整器的燃烧室。采用螺旋形的通风孔槽5221，能使空气螺旋式上升，显著提高燃烧效率。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施方式，凡是依据本实用新型的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。